系统集成说明书

中北大学课程设计说明书学生姓名:学号：学院:专业:题目:2015 年 7 月 1 日目录1 课程设计目的 (1)2 课程设计内容和要求 (1)2.1 设计内容 (1)2.2 设计要求 (1)3 设计方案及实现情况 (1)3.1 设计方案及论证 (1)3.1.1 DC-DC主回路拓扑 (1)3.1.2 控制方案选择 (2)3.2 工作原理及框图 (2)3.2.1 Boost升压主电路 (2)3.2.2开机保护电路 (4)3.2.3开关管保护电路 (4)3.2.4 输出滤波和输出过流保护 (4)3.2.5 KL26主控电路及采集 (5)3.2.6 键盘输入及显示 (6)3.3 效率分析及计算 (6)3.4 硬件电路原理图 (7)3.5 仿真分析 (7)3.6 PCB版图设计 (8)3.7 系统测试 (8)3.7.1测试使用的仪器 (8)3.7.2测试方法 (8)3.7.3测试数据 (9)3.7.4 指标完成 (9)4课程设计总结 (9)参考文献 (9)1 课程设计目的1.学习操作数字电路设计实验开发系统，掌握开关电源的工作原理。

2.掌握C语言开发设计，熟悉单片机的工作原理。

3.掌握基于单片机系统的开发设计。

2 课程设计内容和要求2.1 设计内容设计并制作一个开关稳压电源。

输入220V交流电，输出30V~36V可调直流电。

通过液晶屏显示。

2.2 设计要求基本要求：（在电阻负载条件下，使电源满足下述要求）1、输出电压U O可调范围：30V～36V；2、最大输出电流I Omax：2A；3、U2从15V变到21V时，电压调整率S U≤2%（I O=2A）；4、I O从0变到2A时，负载调整率S I≤5%（U2=18V）；5、输出噪声纹波电压峰-峰值U OPP≤1V（U2=18V,U O=36V,I O=2A）；6、DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,U O=36V,I O=2A）；发挥部分：1、进一步提高电压调整率，使S U≤0.2%（I O=2A）；2、进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；3、提高效率，使效率≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；4、能对输出电压进行键盘设定和步进调整，同时显示输出电压电流。

3 设计方案及实现情况3.1 设计方案及论证3.1.1DC-DC主回路拓扑方案一：图1是间接直流变流电路：结构如图1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的情形，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。

图1 间接直流电路方案二： Boost 升压斩波电路：拓扑结构如图1-2所示。

开关的开通和关断受外部PWM 信号控制，电感L 将交替地存储和释放能量，电感L 储能后使电压泵升，而电容C 可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为UO=(ton+toff)，通过改变PWM 控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。

该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。

（如图2）图2 boost 升压电路综合比较，我们选择方案二。

3.1.2 控制方案选择方案一：利用PWM 专用芯片产生PWM 控制信号。

此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。

方案二：利用KL26单片机产生PWM 控制信号。

让单片机根据反馈信号对PWM 信号做出相应调整以实现稳压输出。

这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。

但是系统调试比较复杂。

我们选择方案二 。

3.2 工作原理及框图 3.2.1 Boost 升压主电路图3是Boost 升压电路包括驱动电路和Boost 升压基本电路。

电力晶体管（GTR ）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（Power MOSFET ）开关损耗小、工作频率较高。

从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管IRF540。

选择ESAD85M-009型肖特基二极管，其导通压降小，通过1 A 电流时仅为0.35V ，并且恢复时间短。

实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。

R L（1） 电感值的计算：()22OO IN O INBfU mI U U U L -=其中，m 是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=20 kHz,输出电压为36V 时，L B =527.48μH ，取530μH 。

电感线径的计算：最大电流I L 为2.5A ，电流密度J 取4 A/mm 2，线径为d,则由L I d J =22*）（π得d=0.892 mm,工作频率为20kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。

（2）电容的参数计算：OO IN O O B U f U U U I C ∆-=）（ 其中，ΔU O 为负载电压变化量，取20 mV,f=20kHz,U O =36V 时,C B =1465μF,取为2000μF ，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR ），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。

（3）boost 损耗计算：输出电流有效值）（D D I I IN RMS O -⨯⨯=-113.1 代入数据得 I O-RMS =2.069 A而电容的损耗 2/21ESR I P RMS O CO ⨯=-等效串联电阻ESR 取为10 m Ω，代入得P CO1=0.0428 W图 3 主回路3.2.2开机保护电路在直流输入端串联一支保险丝（250V，5A），从而实现过流保护,反接保护功能由二极管和保险丝实现。

用NTC电阻实现了对开机浪涌电流的抑制，当上电瞬间，电阻很大，从而对其防止浪涌电流产生。

（如图4）图4 开机保护电路3.2.3开关管保护电路利用IR2302的欠压保护功能，对其电源电压进行检测，当电压达到200mv 的时候比较器输出高电平，使IR2302的SD管角接高电平，从而使场效应管严格工作在非饱和区或截止区，防止场效应管进入饱和区而损坏，为了防止尖峰电流的产生使芯片误判，我们采用逐波防锁电路。

（如图5）图 5 开关管保护电路3.2.4输出滤波和输出过流保护我们采用电感和电容进行滤波，效果比只使用电容好，我们通过康铜丝采集电流。

当电流超过2.5A的时候打开继电器。

从而关闭电源。

输出端串接电流采样电阻R TEST2，材料选用温漂小的康铜丝。

电压信号需放大后送给单片机进行A/D 采样。

过流故障解除后，系统将自动恢复正常供电状态。

为了降低纹波，采用LC 低通滤波器如图6。

取截止频率f L =200 Hz ，电容取470μF ，由Cf L L 241π=LCf L π21=代入得L=215.80 μH ，取220μH图 6 过流保护电路3.2.5 KL26主控电路及采集单片机根据电压的设定值和电压反馈信号调整PWM 控制信号的占空比，实现稳压输出，同时，单片机与采样电路相结合，将为系统提供过流保护、过热保护、过压保护等措施，并实现输出电压、输出电流和输入电压的测量和显示。

PWM 信号占空比OIN U U D -≈1 ；当U2=15V ，UO=36V 时，U IN =1.2*U 2-2V=16V ， 最大值D MAX =0.556； 当U2=21V ，UO=30V 时，U IN =1.4*U 2-2V=27.4V ，最小值D MIN =0.087系统对于单片机A/D 采样精度的要求：题目中最高的精度要求为0.2%，欲达到这一精度，A/D 精度要达到1/500，即至少为9位A/D ，MP430内置A/D 为12位，只要合理设定测量范围，完全可以达到题目的精度要求。

3.2.6 键盘输入及显示分别通过键盘和LCD 实现数字设定和显示。

键盘用来设定和调整输出电压；输出电压、输出电流和输入电压的量值通过LCD 显示。

3.3 效率分析及计算（U 2=18V,输出电压U O =36V,输出电流I O =2A ）DC-DC 电路输入电压U IN =1.2*U 2-2V=19.6V ，信号占空比D ≈1-U IN /U O =0.456， 输入电压有效值I IN =I O /（1-D ）=3.676A ， 输出功率P O =U O *I O =72 W 下面计算电路中的损耗P 损耗：Boost 电路中电感的损耗：121DCR I P IN DCR ⨯=，其中，DCR 1为电感的直流电阻，取为50 m Ω，代入可得P DCR1=0.68 W Boost 电路中开关管的损耗开关损耗：P SW =0.5*U IN *I IN （t r +t f ）*f其中，t r 是开关上升时间，为190ns,t f 是开关下降时间，为110ns,f 是开关频率，为20 kHz,代入可得 P SW =0.2160 W导通损耗））（（SNS D SO N INC R R ID P +⨯=3.12其中，导通电阻R DSON =77 m Ω，电流感应电阻R SNS 取0.1 Ω，代入得P C =1.23 W 肖特基二极管的损耗流过二极管的电流值与输出电流I 0相等，则二极管损耗D O D V I P =，其中，I O =2 A,取二极管压降V D 为0.35 V ，代入可得P D =0.7 W 两只采样电阻上的总损耗为0.9 W ，综上，电路中的总损耗功率P 损耗=4.5WDC-DC 变换器的效率η= P O /（P O +P 损耗）=94%3.4 硬件电路原理图图7 为整个系统的电路原理图。

图7 总电路图3.5 仿真分析图8采用multisim对主回路仿真，通过示波器查看输出电压，进过比对，和理论值相近。

改变信号源的占空比，输出电压发生变化。

图8仿真设计3.6 PCB 版图设计图9采用AD11进行电路板设计，采用手工布线和自动布线相结合设计。

对控制信号进行覆铜，防止大电流干扰。

（1） 电源线宽和地线宽采用80mil 。

信号线采用18mil 。

（2） 对主回路和控制信号分开覆铜。

图 9 PCB 板3.7 系统测试3.7.1测试使用的仪器表1 列出了测试中所需的仪器和数量。

3.7.2测试方法图10 为整个电路系统的测试点。

L2图10 测试连接图3.7.3测试数据（1）电压调整率（测试条件：IO=2A，UO=36V）。

U 2=15V时，UO1=35.98V；U2=21V时，UO2=36.13V，压调整率SU=（UO2-UO1）/（O1=0.42%）（2）负载调整率SI测试（测试条件：U2=18V，UO=36V）。

I O =0A时，UO3=36.29V；IO=2A时，UO4=36.04V，载调整率SI=（UO3-UO4）/UO3=0.69%。